1941年5月7日，自感穩操“勝券”的日軍，於傍晚時分突然一齊出動，由東、西、北三面“以鉗形並配以中央突破之方式”進犯中條山地區。
東線，日軍原田雄吉中將指揮的第35師團主力、田中久一中將指揮的第21師團一部，以及騎兵第4獨立旅團一部，約25000餘人，在僞軍張嵐峯、劉彥峯部的配合下，沿道清路西段分三路向濟源、孟縣進犯。
西線，日軍安達二十三中將指揮的第37師團主力、井關仞中將指揮的第36師團一部、若鬆平治少將指揮的獨立混成第16旅團，約25000餘人，自聞喜、夏縣東南向張店鎮進犯。
北線，日軍清水規矩中將指揮的第41師團及池之上賢吉少將指揮的獨立混成第9旅團共約30000餘人，以中央突破之閃電戰術，由橫嶺關方面向橫垣大道西側猛攻。
東北線，日軍櫻井省三中將指揮的第33師團一部及獨立混成第4旅團一部，約萬餘人，從陽城方面向董封鎮一線攻擊。
第一戰區司令長官部根據情報，針對日軍分兵合擊，襲擊我通信聯絡及各級指揮部;以重兵攻佔各交通要點，切斷我軍聯絡，各個擊破;封鎖山口、渡口，逐步緊縮包圍圈，完成合擊的企圖，“於會戰前，經以辰東誠電令各部以交通線爲目標，加緊遊擊襲破，妨害敵之攻擊準備及兵力集中”。但因戰區主帥缺位，上述命令未能得到有效組織施行，致使“會戰開始第二日，因情況劇變，敵之來勢極猛。當嚴令各部應力保現態勢，粉碎敵蝕食中條山企圖，誘敵於有利地帶，轉取攻勢，而夾殄之”。各部倉促應變，分別與各路日軍交戰，中條山戰役正式打響。
第一階段
東線：日軍“左翼以溫縣爲發起點，先頭步兵5000以上，騎兵千餘，炮20餘門，飛機數十架，戰、汽、裝甲等車共百餘輛，沿黃河北岸突進。”“中央以沁、博爲發起點，一股先頭千餘，循沁濟大道西犯”，“另一股先頭2000餘人，附炮十餘門，於竄陷西向義莊後，繼向捏掌、紫陵、東逮寨、留村一帶猛撲。”“同時，沁河北岸3000餘人，以飛機十餘架，炮二十餘門，強渡沁河。”守軍第9軍裴昌會所部在強敵進攻下施行節節防禦，節節後撤。
8日午，即放棄濟、孟兩地，向西撤退。在全線潰退的形勢下，第一戰區長官部命令第9軍“以主力於封門口北既設陣地，拒止沁、濟之敵西犯，以一小部對敵側擊”。
第9軍部署新編第24;師主力、第54師張團守封門口一線，第47師和第54師駐王屋的獨立第4旅等在孤山一線遊擊。封門口系日軍西進必經之要隘，日軍勢在必奪。久攻不下，再行增兵。
自9日上午激戰至10日晨，終爲敵破。這時，中路日軍已於8日晚攻陷垣曲縣城後，分兵進攻邵源。長官部命令第9軍主力“由官陽南渡，以策應河防”。
11日，日飛機百餘架轟炸封鎖官陽東西渡口，第54師在遭受重大傷亡後渡至河南，其餘各師團退至封門口至邵源以北山地。
12日，該路日軍一部佔領黃河沿岸各渡口;主力則沿封門口西進至邵源，與從垣曲東進之敵會合，完成了對國民黨第14集團軍的內線包圍。
西線：是日軍的主攻方向。“守軍爲孔令恂的第80軍第165師(師長王治岐)和新編第27師(師長王竣)，唐淮源的第3軍第7師(師長李世龍)和12師(師長寸性奇)，以及直屬第5集團司令部指揮的公秉藩第34師。”
7日下午，日軍“分多數縱隊，成廣正面法，集中機炮火力，並以飛機誘導步兵，向我西村、辛犁園、王家窯頭、樑家窯頭王竣師右翼80團(唐、孔兩軍接合部)陣地猛攻。另以獨3旅附37師團一部，向劉家溝、古王、計王王治岐師全面佯攻，牽制激戰”。
8日凌晨，日軍突破張店以東第27師防線，孔、唐兩軍聯繫被切斷。第27師潰退至曹家川、太寨一帶。與此同時，奉命到望原集中的第80軍第165師在遭到日軍襲擊後也退至曹家川、太寨一線。乘隙而進的敵挺進縱隊於當晚佔據茅津渡以下的槐扒、尖坪、南溝等渡口;最遠的一支進到平陸、垣曲、夏縣三縣交界處。
9日正午時分，第80軍所部遭敵便衣襲擊和飛機轟炸掃射，進一步潰敗。“在一場混戰中，新編第27師師長王竣、參謀長陳文杞及165師姚汝崇營長等多名軍官犧牲在太寨村西的雷公廟嶺附近。剩餘部隊傍晚退到黃河渡口南溝。”第80軍軍長孔令恂、第165師師長王治岐棄部渡過黃河，失去指揮的部隊爭相競渡，傷亡慘重。新編第27師副師長樑汝賢見事不可爲，投河殉國。
夏縣日軍先頭部隊7000人分三股南向進犯唐淮源第3軍陣地。
8日拂曉，日軍攻佔中條山北山交通要道泗交村。然後，一路向西北奔襲第7師師部駐地王家河，一路向東南奔襲第3軍軍部唐回。王家河遭日軍重兵包圍，師長李世龍率部突圍;唐回則在軍長率預備隊馳援王家河的情況下被日軍地面部隊與空降兵協同佔領。第3軍軍長唐淮源率殘餘人員向東撤退至溫峪(南通五福漳黃河渡口)一帶，被日軍擋住南去之路，遂與敵激戰，遭受重大傷亡後，再向東北、西北方向退去。
12日唐軍長及其所部在尖山陷入日軍的四面包圍之中。在三次突圍失敗的情況下，“唐軍長以保衛中條山職志未遂，當前大敵未殄，於尖山頂廟內自戕殉國”。同日，第3軍第12師在突圍至胡家峪後遭日軍截擊，師長寸性奇胸部中彈，身負重傷，仍率部苦戰。
13日，寸部亦陷日軍重圍，寸師長二次負傷，右腿被敵炮炸斷，自知無力迴天，亦拔槍自盡。繼忻口戰役第9軍軍長郝夢齡與第54師師長劉家麒之後，再寫一軍之中軍、師長同時殉國的悲壯史詩。
“還有聞喜敵36師團先頭部隊3000餘人，向公秉藩第34師防守的野峪、十八坪、唐王山等陣地猛攻，並迅速攻陷唐王山。公秉藩組織部隊反攻，收復唐王山周圍陣地，但因其右翼友鄰部隊防線被突破，第一戰區司令長官部又令公率部馳援馬村(按：馬村系第5集團軍司令部所在地)，第34師便放棄唐王山陣地，退至胡家峪。”
北線：這裏是中條山地區中國守軍曾萬鍾第5、劉茂恩第14兩個集團軍的接合部，日軍的戰略意圖在於迅速攻佔橫(橫嶺關)垣(垣曲)大道，直取垣曲縣城，對守軍兩個集團軍實施分割包圍，各個殲滅。戰役一開始日軍即以重兵向橫垣大道兩側猛攻。駐守橫嶺關東北側的趙世鈴第43軍、西南側的高桂滋第17軍同時遭受日軍重兵打擊。
激戰至8日拂曉，第43軍十八坪陣地被突破，堵擊無效。軍長趙世鈴下令放棄陣地，撤向望仙莊一線;第17軍雖依靠工事和有利地形進行了較爲有效的抵抗，終因左右兩翼皆被敵突破，不得不退出防線。日軍則在一舉突破守軍防線後，兵分兩路：“一路沿桑池、賈家山、杜村河南下(桑池守軍第15軍一部潰逃);一路沿亳清河南下，經皋落、長直、王茅，直取垣曲縣城。”
8日黃昏，日軍在傘兵部隊配合下，佔領黃河岸邊的垣曲縣城，截斷了與黃河南岸的聯繫。日軍實現了中間突破計劃，中國軍隊被分割成兩半。
9、10兩日，日軍分兵兩路，一路向東，一路向西，東路於12日晨攻克邵源，與濟源西進日軍會合;西路於11日進至五福澗，與9日攻佔五福澗的日軍會合。至此，日軍的內層包圍圈完全形成，中條山守軍黃河沿線的補給線和退路全被截斷。”
東北線：駐防這一線的中國守軍主要有第14集團軍司令部、武士敏第98軍，以及第15軍、第93軍等部。
7日晚，日軍向武士敏第98軍發起進攻，武軍長率領所部拼死抵抗，在董封東西線上與敵激戰，多次擊退日軍進攻。王村一戰，將敵2000擊潰，斃敵濱田大佐以下700餘人。
10日，第一戰區司令部鑑於“濟源、垣曲間各主要渡口漸次被敵封鎖，該集團整個補給線中斷”的事實，命第14集團軍“陽城以西部隊主力，迅向沁翼公路以北分路轉移，以旋迴鑽隙戰法，打擊敵人側背。卯刻，該集團軍全面與敵發生激戰。申刻，交口之敵陸續增至三四千，竄陷清風圪塔、煤坪。同時第10師與第98軍接合部之二里腰，亦被約二千餘之敵突破。而陷邵源之敵，亦向西北緊迫，此時該集團軍三面有受敵顧慮。”各部在突圍遊擊中向北撤退。
第二階段
在守軍全線潰退的同時，日軍以優勢的兵力和猛烈的炮火佔據了先機， 迅速完成了第一階段的作戰任務——突破了中條山地區的全部防禦陣地，先後佔領了垣曲、濟源、孟縣、平陸等縣城及相關的關隘據點，封鎖了黃河北岸各渡口，完成了對國軍的內外側雙重包圍，隨即轉入第二階段的作戰——對數路中國守軍各陣地，反覆掃蕩。
以西線爲例，日軍“各兵團自11日並排向北返轉，然後又自5月15日再次轉向黃河線，如此再三反覆進行篦梳掃蕩，一直進行到6月10日。在這樣反覆掃蕩期間，各兵團所到之處消滅了敵人(按：日方的說法，指國軍)三千至五千名”。
守軍主力在遭受慘重傷亡後先後突圍：第3、第15等軍殘部在第5集團軍司令曾萬鍾率領下西渡黃河，轉到洛陽、新安一帶整頓;第93軍主力在擺脫尾追的日軍後由禹門口渡過黃河進入陝西韓城境內;第98軍一部在武士敏的率領下進入太嶽山區;第43軍向浮山、翼城間轉進;第9軍主力在道清路西段和濟源山地遊擊數天後，分別由小渡口和官陽渡口南渡;……中條山守軍大部退出中條山地區，中條山戰役落下了帷幕。
